向陽開，劉威震，趙 毅，張慶宇，3，張艷娟

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074； 3.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，石家莊 050091；4.河北遷曹高速公路開發(fā)有限公司，唐山 063200)

0 引 言

自修復(fù)材料是一種新型仿生智能材料，通過物質(zhì)和能量補給，實現(xiàn)材料內(nèi)部或外部損傷自修復(fù)，可廣泛用于建筑材料等領(lǐng)域[1]。瀝青材料的自修復(fù)能力一直是國內(nèi)外重要的研究方向。1967年，Bazin等[2]最早提出瀝青混合料具有自愈能力。國內(nèi)外研究學(xué)者采用多種試驗方法對瀝青混合料的愈合能力進行了大量研究，包括電磁感應(yīng)加熱法[3-4]、微波加熱法[5]、紅外加熱[6]、微膠囊法[7-8]等，其中微波加熱法具有加熱迅速、均勻、節(jié)能、成本低等優(yōu)點。

微波加熱是通過激發(fā)被輻射材料中的分子偶極子來傳遞電磁場能量。偶極子根據(jù)磁場本身的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)向，獲得動能并以熱的形式消散[9]。Gallego等[10-11]研究表明，微波加熱瀝青混合料是可行的，相比紅外加熱，微波加熱更加均勻、節(jié)能。為了增強瀝青混合料在微波加熱下的愈合性能，廣大學(xué)者研究了不同吸波材料對瀝青混合料愈合性能的影響。Norambuena等[12]研究了添加鋼纖維和鋼刨花的瀝青混合料在微波加熱下的自愈合性能。試驗表明，愈合水平取決于愈合時間和所用金屬廢料的類型和含量。Zhu等[13]分析了添加鎳鋅鐵氧體粉末的瀝青混合料在微波加熱下的愈合性能。結(jié)果表明，鎳鋅鐵氧體粉末能顯著提高瀝青混合料的自愈能力。鋼渣是一種微波良吸收體，這使得鋼渣在微波作用下具有較好的加熱性能。Phan等[14]利用微波加熱技術(shù)分析了鋼渣對瀝青混合料性能的影響。結(jié)果表明，鋼渣能夠很好地促進瀝青混合料的加熱性能和愈合性能。Sun等[15]研究了鋼渣瀝青混合料在微波加熱和電磁感應(yīng)加熱兩種加熱方式下的加熱性能和愈合性能。結(jié)果表明，微波加熱方式下鋼渣瀝青混合料有更好的均勻性和愈合性能。綜上可知，鋼渣能夠很好地提升瀝青混合料在微波加熱下的加熱性能和愈合性能。然而，不同鋼渣摻加形式對瀝青混合料加熱性能以及愈合性能影響的相關(guān)報道相對較少。

本文根據(jù)鋼渣替換集料的粒徑范圍(粗集料和細集料以2.36 mm為界劃分)，設(shè)計了4種類型瀝青混合料，即全石型(whole stone， WS)、粗石細鋼型(coarse stone fine steel slag， CSFSS)、粗鋼細石型(coarse steel slag fine stone， CSSFS)、全鋼型瀝青混合料(whole steel slag， WSS)；研究了不同類型瀝青混合料在微波加熱下的溫度分布，對比分析了數(shù)值模擬溫度場與試驗溫度分布；最后，通過三點彎曲破壞試驗對瀝青混合料的愈合性能進行評價。

1 實 驗

本文所用玄武巖粗集料、石灰?guī)r細集料來自重慶朝陽河地區(qū)，各項性能均符合規(guī)范要求。瀝青由重慶朝陽河拌合站提供。SBS改性瀝青性能如表1所示。

表1 SBS改性瀝青性能Table 1 SBS modified asphalt performance

鋼渣由河北省唐山市鋼廠提供，選用的鋼渣為水淬渣，浸水膨脹率為1.7%，壓碎值為19.26%。鋼渣的主要化學(xué)成分如表2所示。采用掃描電子顯微鏡對鋼渣的表面微觀結(jié)構(gòu)進行了觀察，如圖1所示。

表2 鋼渣的主要化學(xué)成分Table 2 Main chemical composition of steel slag

從圖1可以看出，鋼渣材料表面多孔且紋理粗糙。因此，鋼渣能夠更好地吸附瀝青，增加黏附性。但是，多孔的結(jié)構(gòu)也將增加鋼渣瀝青混合料的瀝青用量。

選用SMA-13級配類型，并按照該級配標準進行配合比設(shè)計。考慮鋼渣的密度較大，本文采用體積百分率(各檔集料的分計篩余百分率與密度的乘積)對3種鋼渣瀝青混合料的配合比進行優(yōu)化，配合比如表3所示。4種瀝青混合料的填料均為石灰?guī)r，木質(zhì)素纖維摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%。通過馬歇爾設(shè)計方法確定4種瀝青混合料的最佳油石比。瀝青混合料的體積參數(shù)及油石比如表4所示。

圖1 鋼渣的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM image of steel slag

表3 體積法優(yōu)化配合比Table 3 Optimization of mix ratio by volume method

表4 瀝青混合料體積參數(shù)及油石比Table 4 Asphalt mixture volume parameters and oil-stone ratios

2 瀝青混合料微波加熱性能

2.1 熱參數(shù)試驗

采用瑞典Hot Disk熱常數(shù)分析儀測試瀝青混合料的熱導(dǎo)率和比熱,測試結(jié)果如表5所示。熱常數(shù)分析儀可測熱導(dǎo)率范圍為0.005～1 800 W/(m·K)，可測溫度范圍為-240～1 000 ℃。測試樣品尺寸為30 mm×35 mm×30 mm。

表5 瀝青混合料熱參數(shù)Table 5 Thermal parameters of asphalt mixtures

由表5可知，4種瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱參數(shù)規(guī)律性較差。這是因為鋼渣集料內(nèi)部存在一些小孔，對熱參數(shù)造成了一定影響。但是所測熱參數(shù)差異較小，因此，不同類型瀝青混合料的熱參數(shù)對其微波加熱性能影響較小。

2.2 電磁參數(shù)試驗

電磁參數(shù)測試系統(tǒng)的微波信號是由安捷倫E5071C網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀產(chǎn)生。采用波導(dǎo)法對瀝青混合料進行測試。樣品尺寸為54.46 mm×108.92 mm×(8.00～12.00) mm；測試頻率范圍為1.72～2.61 GHz，取值2.45 GHz。瀝青混合料電磁參數(shù)測試結(jié)果如表6所示。

表6 瀝青混合料電磁參數(shù)Table 6 Electromagnetic parameters of asphalt mixtures

由表6可知，鋼渣摻加形式的不同，瀝青混合料的復(fù)磁導(dǎo)率變化不大；但是，復(fù)介電常數(shù)發(fā)生明顯變化。說明鋼渣摻加形式的不同時，瀝青混合料的微波吸收性能主要受介電損耗影響。

2.3 微波加熱性能

研究表明，瀝青混合料的愈合性能與愈合時間和愈合溫度有很大的關(guān)系。Williams等[16]研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的愈合性能隨著愈合溫度的上升而增強；同時，愈合時間隨著愈合溫度的上升而縮短。因此，研究微波作用下瀝青混合料加熱性能對瀝青混合料愈合性能的影響具有非常重要的意義。

2.3.1 試驗儀器參數(shù)

微波加熱試驗所用儀器設(shè)備：型號為P70F20CN3L-HP3(S0)的格蘭仕微波爐，輸出功率為700 W，微波頻率為2.45 GHz；鎧裝WRNK-184探頭熱電偶溫度傳感器，使用時與顯示儀配套使用，測量溫度范圍0～1 100 ℃；查爾孟TU8550C紅外測溫儀，測量溫度范圍-50～550 ℃。

2.3.2 樣品制備與測點分布

試驗所用樣品為直徑101.6 mm，高63.5 mm的標準馬歇爾試件。表面溫度測試點分布如圖2(a)所示：試件的表面的兩個溫度測試點分布在偏離中心點左右各25 mm的位置；側(cè)面分布6個溫度測試點，試件的上(距離上表面15 mm)、下(距離下表面15 mm)兩個平面各3個溫度測試點，各測試點之間的夾角為120°。內(nèi)部溫度測試點分布如圖2(b)所示：試件的內(nèi)部溫度是通過鉆孔來進行測量的，溫度測試點分布在微波爐中心面上，其中兩個溫度測試點分布在距離上表面15 mm，偏離中線左右各10 mm處，另外一個溫度測試點分布在中線中點上。

圖2 表面及內(nèi)部溫度測試點分布Fig.2 Distribution of temperature test points on the surface and inside

2.3.3 加熱試驗

對試件進行微波加熱前，首先對溫度測試點進行標注，標注后將試件放在25 ℃烘箱里，恒溫12 h；取出試件置于微波爐內(nèi)，記錄初始溫度值。對試件進行加熱，每隔20 s記錄一次試件的溫度，加熱時間為3 min。溫度測試裝置分別如圖3、圖4所示。進行三次平行實驗，取相應(yīng)測溫點的平均值作為瀝青混合料的溫度值，瀝青混合料加熱曲線如圖5所示。

圖3 熱電偶溫度傳感器Fig.3 Thermocouple temperature sensor

圖4 紅外測溫儀Fig.4 Infrared thermometer

圖5 瀝青混合料加熱曲線Fig.5 Heating curves of asphalt mixtures

由圖5可知，4種瀝青混合料表面、側(cè)面(上部、下部)、內(nèi)部具有不同的溫度分布，且隨著加熱時間增加，溫度均呈線性增長。對4種瀝青混合料加熱曲線進行線性擬合，得到各個部位加熱速率(見圖6)。由圖6可知，在微波加熱下，4種瀝青混合料的上部和下部加熱速率差分別為0.5%(WS型)、3.0%(CSFSS型)、2.7%(CSSFS型)、1.1%(WSS型)，隨著深度的變化，加熱速率差異變小。此外，4種瀝青混合料的表面加熱速率最低，內(nèi)部加熱速率最高，內(nèi)外加熱速率差分別為7.9%(WS型)、10.3%(CSFSS型)、13.2%(CSSFS型)、14.1%(WSS型)?？梢钥闯觯琖S型和CSFSS型瀝青混合料具有較小的加熱速率差，表現(xiàn)出較好的加熱均勻性。

為了對比4種瀝青混合料的加熱性能，繪制了4種瀝青混合料平均溫度加熱曲線(見圖7)。由圖7可知，3種鋼渣瀝青混合料的加熱速率均高于WS型瀝青混合料。因此，鋼渣的摻入提高了瀝青混合料的加熱速率。此外，3種不同摻加形式的鋼渣瀝青混合料的平均加熱速率并沒有出現(xiàn)明顯差異。Benedetto[9]指出，非均質(zhì)材料的介電常數(shù)取決于每種成分的介電常數(shù)值和成分之間的體積比。因此，可以解釋為，由于鋼渣表面粗糙多孔的構(gòu)造特征，使其表面吸附較多瀝青，從而影響了CSSFS型和WSS型瀝青混合料對微波的吸收。

圖6 瀝青混合料加熱速率Fig.6 Heating rates of asphalt mixtures

圖7 瀝青混合料平均溫度加熱曲線Fig.7 Average temperature heating curves of asphalt mixtures

3 瀝青混合料溫度分布數(shù)值模擬

3.1 COMSOL仿真軟件

為了進一步了解微波加熱下瀝青混合料的溫度分布，以便更好地分析瀝青混合料的自愈合性能。本文采用COMSOL仿真軟件對瀝青混合料的溫度分布進行模擬。COMSOL軟件是以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程(單個物理場)或偏微分方程組(多個物理場耦合)對真實物理現(xiàn)象進行仿真模擬。

3.2 電磁場分析

微波是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波。因此，微波的傳播規(guī)律符合麥克斯韋方程，即：

電場的高斯定律(Gauss law for electricity):

(1)

磁場的高斯定律(Gauss law for magnetism):

(2)

安培定律(Ampere’s law):

(3)

法拉第電磁感應(yīng)定律(Faraday law of electromagenetic induction):

(4)

對麥克斯韋方程組做傅里葉變換，把時域變換到頻域，通過整理得到亥姆霍茲方程：

(5)

(6)

根據(jù)Poynting定理，得到損耗功率：

(7)

式中：Q損耗功率；ε″r為介電損耗；V為吸收微波的有效體積。

3.3 溫度場分析

當微波進入瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生熱效應(yīng)后，根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，可以得到瀝青混合料在不同時刻的溫度[17]，即：

(8)

式中：ρ為瀝青混合料密度；Cp為比熱；u為對流速度；k為熱擴散率；T為溫度變化量。

3.4 微波加熱模擬

本文研究的微波加熱瀝青混合料模型是微波諧振腔、爐腔、樣品的組合體。微波是輸出頻率為2.45 GHz的TE10橫波，微波腔壁為模型的阻抗邊界，防止微波外泄并提供反射面以形成封閉環(huán)境[18]。瀝青混合料采用的是馬歇爾標準試件：直徑101.6 mm、高63.5 mm。模型所需熱參數(shù)見表5，電磁參數(shù)見表6，密度見表4。4種瀝青混合料的溫度分布如圖8所示。

在模擬微波加熱瀝青混合料中，對模型進行了以下的簡化和假設(shè)：

(1)模型使用銅作為微波腔壁和波導(dǎo)端口，并且忽略了較小的電阻金屬損耗[18]；

(2)模型中假設(shè)瀝青混合料的熱參數(shù)材料特性隨溫度升高保持不變。

圖8 瀝青混合料數(shù)值模擬溫度分布Fig.8 Numerical simulation temperature distribution of asphalt mixtures

由圖8可知，在相同加熱條件下，鋼渣瀝青混合料比WS型瀝青混合料具有更好的加熱性能。此外，3種鋼渣瀝青混合料中CSFSS型表現(xiàn)出較好的加熱均勻性。這是因為，微波吸收性能較好的細鋼渣被均勻填充在吸波性能不好的瀝青和普通石料中，因此，表現(xiàn)出較好的溫度分布。從上圖還可以清晰看出，4種瀝青混合料的中心溫度均高于表面溫度，這一結(jié)果證實了微波加熱傾向于形成高的溫度區(qū)域[19]。綜上所述，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗測試基本相符，因此，COMSOL軟件能夠很好地模擬微波加熱下瀝青混合料的溫度分布。

為了進一步研究數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，對數(shù)值模擬結(jié)果和試驗測試溫度值進行了對比，結(jié)果如表7(加熱180 s的溫度對比)、圖9所示。

表7 瀝青混合料數(shù)值模擬與實測溫度值Table 7 Numerical simulation and measured temperature value of asphalt mixtures

圖9 WSS型瀝青混合料溫度實測值與模擬值對比Fig.9 Comparison of measured and simulated temperature value of WSS asphalt mixtures

由于4種瀝青混合料的數(shù)值模擬與實驗結(jié)果加熱曲線對比圖表現(xiàn)出相似的特點。因此，本文只展示了WSS型瀝青混合料的加熱曲線對比圖，以減少文章篇幅。從圖9中可以看出，數(shù)值模擬與試驗結(jié)果存在一定的差異。這可能的原因是：對微波加熱模型以及材料的簡化假設(shè)造成了誤差；采用波導(dǎo)法對瀝青混合料復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率測試產(chǎn)生的誤差。然而，數(shù)值模擬的結(jié)果與測試結(jié)果差異并不大，且各個溫度測試點的加熱趨勢和數(shù)值模擬幾乎相同。因此，COMSOL軟件能夠很好地模擬微波加熱下瀝青混合料的溫度分布。

4 瀝青混合料自愈合性能

4.1 三點彎曲破壞試驗

圖10 三點彎曲試驗破壞試件Fig.10 Three-point bending test damage specimens

本文采用三點彎曲破壞試驗，試驗溫度為(-10±0.5) ℃，加載速率為50 mm/min。試驗使用的設(shè)備是多功能試驗機，主機的載荷量程在±25 kN，跨徑(200±2) mm。將輪碾法成型的瀝青混合料試件切割成長(250±2) mm、寬(30±2) mm、高(35±2) mm的標準小梁，并將切割好的小梁試件放置在-10 ℃的高低溫試驗箱中45 min，以獲得脆性條件。對小梁試件進行三點彎曲破壞試驗，小梁的彎拉強度如圖10所示。然后將干燥后的斷裂小梁拼接后放入微波爐加熱，加熱一定時間后，將試件放置在室溫進行愈合，愈合時間24 h。對愈合后的小梁試件再次進行三點彎曲破壞試驗，記錄第二次抗彎強度。三次平行試驗，取平均值作為小梁試件的彎拉強度，至此完后破壞-愈合-破壞循環(huán)。通過愈合前后的彎拉強度比，來評價瀝青混合料的自愈合性能。即：

(9)

式中：HI為愈合率，%；F0為愈合前彎拉強度，kN；F1為愈合后彎拉強度，kN。

4.2 最佳加熱時間試驗

加熱時間對瀝青混合料自愈性能有著重要影響。選取最佳加熱時間既能夠避免由于加熱時間過長，溫度過高，引起的瀝青混合料燒結(jié)，也能很好地減少能量消耗，降低成本。

對4種瀝青混合料制備的小梁試件進行三點彎曲破壞試驗，記錄小梁試件的初始彎拉強度值。然后將斷裂試件分別放入微波爐中加熱40 s、50 s、60 s、70 s、80 s、90 s、100 s、110 s。微波加熱完成后，將試件置于室溫愈合24 h，再次對試件進行三點彎曲破壞試驗，記錄彎拉強度。瀝青混合料的彎拉強度及愈合率如表8所示，愈合率曲線及其標準偏差如圖11所示。

表8 瀝青混合料不同加熱時間下的彎拉強度及愈合率Table 8 Bending strength and healing rate of asphalt mixtures under different heating time

圖11 瀝青混合料愈合率曲線Fig.11 Healing rate curves of asphalt mixtures

由圖11可知，隨著加熱時間的增加，瀝青混合料的愈合率先增加后下降，存在一個最佳加熱時間。這是因為隨著加熱時間的增加，瀝青混合料的溫度不斷升高，從而對瀝青材料產(chǎn)生了損害；同時裂紋處黏合劑的溫度高于裂紋周圍黏合劑的溫度，影響了瀝青黏結(jié)劑流入裂縫的能力[20]。因此，當達到最佳愈合效果后，繼續(xù)增加加熱時間，瀝青混合料的愈合率將開始下降。

4種瀝青混合料的最佳加熱時間及愈合率為：WS型(100 s、68%)、CSFSS型(90 s、76%)、CSSFS型(80 s、78%)、WSS型(80 s、76%)。相比于WS型瀝青混合料，CSFSS型、CSSFS型、WSS型瀝青混合料的愈合性能分別增加了：1.11倍、1.14倍、1.11倍，鋼渣瀝青混合料表現(xiàn)出更好的愈合性能。這可能的原因是，鋼渣表面多孔的結(jié)構(gòu)特性，使鋼渣瀝青混合料吸附更多的瀝青黏結(jié)劑，因此，在加熱過程中，更多瀝青黏結(jié)劑流入裂縫，從而提高了自愈合性能。但是，通過試驗發(fā)現(xiàn)，CSSFS型、WSS型瀝青混合料加熱時間超過60 s時，鋼渣瀝青混合料表面會出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，如圖12所示。而加熱60 s時，CSSFS型、WSS型瀝青混合料分別能夠達到的愈合率僅為57%、60%。

為了分析CSSFS型、WSS型瀝青混合料表面破壞現(xiàn)象的原因，對鋼渣顆粒進行了微波加熱，如圖13所示。試驗表明，當鋼渣顆粒在微波加熱不到30 s時，一些鋼渣顆粒達到200 ℃，并表現(xiàn)出燒紅現(xiàn)象。然而，其他溫度測試點的溫度，并沒有快速升高，說明鋼渣顆粒之間有很大的差異性，導(dǎo)致加熱不均勻。這很好地解釋了CSSFS型、WSS型瀝青混合料的表面破壞現(xiàn)象。此外，CSFSS型瀝青混合料并沒有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，可能是因為，細鋼渣在瀝青混合料中主要起填充空隙的作用，且被微波吸收能力較差的瀝青和石料所包裹。因此，摻加細鋼渣制備的CSFSS型瀝青混合料表現(xiàn)出較好的加熱性能。

圖12 鋼渣瀝青混合料表面損壞Fig.12 Surface damage of steel slag asphalt mixtures

圖14 瀝青混合料自愈合性能Fig.14 Self-healing performance of asphalt mixtures

4.3 瀝青混合料循環(huán)修復(fù)效果研究

對瀝青混合料進行循環(huán)修復(fù)試驗，4種瀝青混合料的愈合率如圖14所示。

由圖14可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，4種瀝青混合料的愈合性能均出現(xiàn)一定程度的下降。其中，WS型瀝青混合料經(jīng)歷2次循環(huán)修復(fù)后，愈合率已經(jīng)下降到50%以下。由于受到加熱時間的限制，CSSFS型和WSS型瀝青混合料加熱時間為60 s時，2次循環(huán)修復(fù)后，愈合率也降到50%以下。然而，CSFSS型瀝青混合料在經(jīng)歷6次循環(huán)修復(fù)后，愈合率才下降到50%以下。因此，4種瀝青混合料中CSSFS型瀝青混合料具有較好的循環(huán)修復(fù)性能。

5 結(jié) 論

(1)4種類型瀝青混合料具有不同的微波吸收性能和傳熱性能。然而，當鋼渣摻入形式不同時，瀝青混合料的微波加熱性能主要受介電損耗影響。

(2)鋼渣瀝青混合料相比WS型瀝青混合料表現(xiàn)出更好的微波加熱性能。此外，3種鋼渣瀝青混合料中，CSFSS型的內(nèi)外加熱速率差最小，表現(xiàn)出較好的加熱均勻性。

(3)通過COMSOL軟件能夠很好地模擬出瀝青混合料在微波加熱下，各點隨時間變化的溫度曲線以及不同平面上的溫度分布。

(4)CSFSS型、CSSFS型、WSS型瀝青混合料的愈合性能分別比WS型瀝青混合料增加了1.11倍、1.14倍、1.11倍，鋼渣的摻入較好地提高了瀝青混合料的自愈合性能。

(5)隨著循環(huán)修復(fù)次數(shù)的增加，4種瀝青混合料的愈合性能均出現(xiàn)了下降。其中，CSFSS型瀝青混合料經(jīng)歷6次循環(huán)修復(fù)后，愈合率才下降到50%，表現(xiàn)出較好的循環(huán)修復(fù)性能。